C++ 20新特性之std::span

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为什么要引入std::span

在C++中，我们经常需要传递数组或容器的一部分给函数进行处理。通常的做法是使用指针和长度来表示数组的一部分，但这可能导致越界和难以维护的代码。C++ 20中新引入的std::span，则提供了一种更安全、更直观的方式来处理这种情况。

实际上，std::span是一个非常实用的容器适配器，用于表示连续的内存区域。它并不直接拥有数据，而是提供了一种访问现有数组或容器元素的方式，增强了代码的灵活性和泛型性。std::span可以看作是对指针和长度对的一个类型安全、范围安全的封装，特别适合用于算法和接口设计中，以提高代码的可重用性和安全性。

std::span基础

std::span<T>是一个模板类，其中T是元素的类型，它可以通过数组、标准库容器或其他任何提供迭代器的对象来构造。std::span有两个关键属性：一个是指向连续数据元素的指针，另一个表示元素数量的size_t值。这使得它可以安全地访问并操作数据范围内的元素，而不需要知道数据的具体存储方式。std::span提供了类似数组的接口，允许我们通过索引访问元素，并提供了size()、empty()、begin()、end()等成员函数来获取关于数据的信息。

std::span的主要特点如下。

1、非拥有性。std::span不拥有它所引用的数据，它只是一个视图。

2、类型安全。std::span知道它所引用的数据的类型。

3、边界检查。由于std::span知道数据的大小，因此可以在访问时执行边界检查。

4、灵活性。std::span可以与数组、std::vector、std::array等容器一起使用。

std::span的使用

创建一个std::span的对象有好几种方法，包括：默认构造函数、从数组构造、从指针和大小构造、从一对指针构造、从容器构造、具有指定大小的构造等。访问std::span中的元素有三种方法，分别为：通过索引访问元素、带有边界检查的访问元素方法at()、访问第一个和最后一个元素的front()/back()。

下面的示例代码演示了这些方法的使用，可以作为参考。

#include <iostream>
#include <span>
#include <vector>
using namespace std;int main()
{// 默认构造函数span<int> emptySpan;// 输出：0cout << emptySpan.size() << endl;// 从数组构造int pNumber[]{10, 20, 30, 40, 50};span<int> arraySpan(pNumber);// 输出：10cout << arraySpan.front() << endl;// 从指针和大小构造int* pData = pNumber;span<int> ptrAndSizeSpan(pData, 3);// 输出：30cout << ptrAndSizeSpan[2] << endl;// 从一对指针（首尾指针）构造span<int> pairPtrSpan(pData, pData + 2);// 输出：20cout << pairPtrSpan[1] << endl;// 从容器构造vector<int> vctNumber = {66, 77, 88};span<int> containerSpan(vctNumber);// 输出：88cout << containerSpan.back() << endl;// 具有指定大小的构造（静态大小）span<int, 3> staticSizeSpan(pNumber);// 输出：20cout << staticSizeSpan[1] << endl;return 0;
}

除了以上这些接口，std::span还可以用来生成一个新的std::span。subspan()函数可生成一个新的span，表示当前span中的一部分。first()函数返回span的前count个元素组成的span，last()函数返回span的后count个元素组成的span。

#include <iostream>
#include <span>
#include <vector>
using namespace std;int main()
{vector<int> numbers = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9};span<int> fullSpan(numbers);// 使用subspan()方法生成新span（从索引3开始，长度为4的新span）span<int> subSpan = fullSpan.subspan(3, 4);// 输出：3 4 5 6for(int num : subSpan)cout << num << " ";cout << endl;// 使用first()方法获取前几个元素的spanspan<int> span1 = fullSpan.first(3);// 输出：0 1 2for(int num : span1)cout << num << " ";cout << endl;// 使用last()方法获取后几个元素的spanspan<int> span2 = fullSpan.last(4);// 输出：6 7 8 9for(int num : span2)cout << num << " ";cout << endl;return 0;
}